明流泄洪洞水力特性的二维数值模拟与试验研究.pdfVIP

第33卷 第 1期 长 江 科 学 院 院 报 Vo1．33 No．1 2016年 1月 JournalofYangtzeRiverScientificResearchInstitute Jan．2 0 1 6 doi：10．11988／ckyyb 明流泄洪洞水力特性的二维数值模拟与试验研究 张春晋 ，李永业 ，孙西欢 ’ (1．太原理工大学 水利科学与工程学院，太原 030024；2．山西水利职业技术学院，山西 运城 044004) 摘 要：为了使明流泄洪洞满足设计泄流量和校核泄流量要求，对其结构进行了优化设计，并根据垣曲县境内板涧 河河 口右岸的小浪底引黄工程泄洪洞实际工程，建立了明流泄洪洞泄流数学模型。计算中引入 FLUENT软件中的 VOF(VolumeofFluid)模型和Mixture模型进行数值计算，得到了设计和校核水位条件下泄洪洞泄流能力、水深沿程 分布、水流空化数以及断面流速和压强及挑距，并将部分计算结果与模型试验结果进行比较分析，结果表明两者吻 合较好。因此采用FLUENT软件研究明流龙抬头泄洪洞的水力特性是可行的，为该项软件应用于实际工程提供了 理论依据。 关键词：泄洪洞 ；数值模拟；空化数 ；水力学特性；VOF模型 中图分类号：TV135．2 文献标志码 ：A 文章编号：1001-5485(2016)0卜0054一()7 算方法对泄洪洞掺气减蚀问题进行了三维紊流数值 模拟分析。张菊等 提出了流体体积函数法基本 1 研究背景 原理，并用它来处理水气交界面，与标准 一 的二维 高坝泄洪受到场地的限制，常采用非常泄洪设 紊流模型耦合建立 了无压隧洞 内流场的数学模型。 施宣泄多余洪水，然而在泄洪过程中常伴有掺气、脉 杨朝晖等 采用数值模拟的方法探讨 了竖井旋流 动、空化、空蚀等一系列水力学 问题 ¨J，要解决这些 泄洪洞的水力特性 。杨小妮等¨对高落差泄洪洞 问题需要有基础理论研究作为基础，结合模型试验 连接段水力特性 问题进行了系统的试验研究。牛争 和数值计算加以验证。龙抬头式 (龙落尾)明流泄 鸣等 ¨通过模型试验对旋流阻塞复合式泄洪洞的 洪洞应用最为广泛，如溪洛渡水 电站、白鹤滩水 电 压力、旋流角和空腔直径等水力特性进行 了研究。 站、二滩水电站 以及锦屏一级水电站均采用该布置 黄国兵等 ¨采用边表孑L不对称扩散加分流齿式消 形式 。 能工，解决了双曲高拱坝中坝身泄洪流量和泄洪功 目前，对高坝泄洪水力特性的研究主要采取模 率都最大的泄洪消能难题。这些研究成果对于该问 型试验。近年来，由于计算机技术快速发展，数值模 题的研究具有重要的推动意义。 拟逐步应用到明流泄洪洞的研究。李 国栋等 采 洞身抛物线段与挑流出口段常发生空化现象， 用k-6模型和适体坐标变换对明流泄洪洞进行了数 运行中会给泄洪洞安全稳定产生不利影响。大量气 值模拟 ，得到了 自由水面 、流速 、紊动能、压力及水深 泡使液流的流动特性变坏，造成泄流量和洞内压力 的参数分布。丁道扬等 提出了进 口段采用势流 不稳定，局部产生的高温和高压会使混凝土表面疲 模型，明流段考虑阻力和边界层 问题的有效数学模 劳，造成混凝土表面的侵蚀、剥落，缩短使用寿命。 型。邓军等 应用VOF模型对岸边 明流泄洪洞进 物理模型试验得到的负压计算不符合相似原则，模 行了数值模拟研究，得到了空腔形态、通风设施进气